基于GIS天然氣管道安全管理系統(tǒng)建設(shè)方案

姜頑強，趙攀，劉金明

（蘭州石化公司研究院，蘭州 730060）

基于GIS天然氣管道安全管理系統(tǒng)建設(shè)方案

姜頑強，趙攀，劉金明

（蘭州石化公司研究院，蘭州 730060）

通過探測、測量等手段獲取家屬區(qū)地面空間對象、地下天然氣管道及其他管道的地理數(shù)據(jù)，利用GIS技術(shù)建立空間對象三維模型及地下管網(wǎng)模型，準(zhǔn)確表達其拓撲關(guān)系，并在ArcGIS平臺中實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的存儲與管理，借助GIS功能展開綜合分析，為小區(qū)天然氣管道系統(tǒng)安全管理提供可靠數(shù)據(jù)，同時，利用系統(tǒng)中現(xiàn)有數(shù)據(jù)，還可開展其他專題應(yīng)用。

GIS；天然氣管道；安全管理

1 前言

隨著“天然氣直通到戶”工程的開展，家屬區(qū)天然氣管道鋪設(shè)工作已完成，小區(qū)管道鋪設(shè)以直埋為主，地面和空中分布為輔。由于小區(qū)地下已有前期鋪設(shè)的各類管線和電纜，地下建構(gòu)筑物有車庫、管溝、水泵房、換熱站等設(shè)施，以及地勢差異的影響，致使天然氣管道鋪設(shè)過程中無法嚴(yán)格按照天然氣管道設(shè)計圖紙進行施工，同時后期的竣工圖紙也未跟上。按照礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部的要求，將小區(qū)內(nèi)天然氣管道分布及輔助物的位置與周邊地上地下其他設(shè)施相結(jié)合，利用GIS技術(shù)建立以天然氣管道為主、地下其他管網(wǎng)為輔、地上地下建構(gòu)筑物和地面對象為參照的天然氣管道安全管理系統(tǒng)。

GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）是指在計算機軟件及硬件的支持下，把各種地理信息按照空間分布及屬性，以一定的格式輸入、存貯、檢索、更新、顯示、制圖、綜合分析的計算機技術(shù)系統(tǒng)［1］。GIS具有顯著的三大特性：地域性、多維結(jié)構(gòu)、時序特征。GIS的技術(shù)優(yōu)勢在于它的混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和有效的數(shù)據(jù)集成、獨特的地理空間分析能力、快速的空間定位搜索和復(fù)雜的查詢功能、強大的圖形創(chuàng)造和可視化表達手段，以及地理過程的動態(tài)模擬和空間決策支持功能等［2］。

目前，GIS在我國安全管理、環(huán)境監(jiān)測、城市規(guī)劃、基礎(chǔ)管理等方面得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在我國城市地下管網(wǎng)和煤礦安全管理、煉化企業(yè)廠區(qū)挖掘作業(yè)等方面發(fā)揮了重要作用。因此，利用GIS技術(shù)建立家屬區(qū)天然氣管道安全管理系統(tǒng)，可以精確展現(xiàn)地下天然氣管道及其他管道與地上地下建構(gòu)筑物、地面對象之間的位置關(guān)系，利用GIS可視化、量測、查詢、統(tǒng)計、空間分析等功能，為小區(qū)規(guī)劃改造、地下管道檢修管理、隱患治理、運行調(diào)度、應(yīng)急管理等方面提供準(zhǔn)確信息，保障天然氣管道安全運行，整體提升小區(qū)安全管理水平。

2 家屬區(qū)天然氣管道系統(tǒng)現(xiàn)狀

家屬區(qū)天然氣管道系統(tǒng)主要包括管道、小區(qū)接入井（或調(diào)壓柜接出井）、各級閥門、調(diào)壓柜等，大部分部分均采用直埋方式，其直埋管線走向、埋深、分支接點等均不明確，天然氣管道埋設(shè)深度一般在1米至2米之間，2米以下及附近是否有管溝、電纜、其他管線等不得而知。

家屬區(qū)天然氣管道建設(shè)分兩種情況。第一種是，后期增加鋪設(shè)的天然氣管道系統(tǒng)，由于小區(qū)路面、樓房、綠化、地下管網(wǎng)已鋪設(shè)完畢并使用多年，天然氣管道鋪設(shè)只有重新開挖地溝，而進入同一戶型各住戶的樓房天然氣管道主干線只能在樓房外側(cè)（如圖1），樓房外側(cè)主干線上控制閥只有一個，一般離地面較近。第二種是，小區(qū)建設(shè)時期已鋪設(shè)了天然氣管道，與其他地下管道一并埋入地下，而進入同一戶型各住戶的天然氣主干管道位于樓房內(nèi)（如圖2），高層樓房內(nèi)的主干線上一般按照每十層布設(shè)一個分級控制閥。

新建小區(qū)地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地下設(shè)施一般有換熱站、水泵房、車庫、變電所、綜合管溝、化糞池、各類管線及電纜等，埋地天然氣管道一般在地下建構(gòu)筑物以上、地表面以下，由于地下建構(gòu)筑物及地勢的影響，二維設(shè)計圖紙無法完全展現(xiàn)地下管網(wǎng)的實際分布，地下管網(wǎng)分布不明確。老區(qū)新增的天然氣管道系統(tǒng)，由于鋪設(shè)的時間不長，地面填埋痕跡清晰，天然氣管道走向基本明確；鋪設(shè)時開挖地溝過程中，偶爾遇到地下已有其他管道致使埋設(shè)天然氣管道的管溝另行改道，其結(jié)果是日常管理所采用的設(shè)計圖紙與實際分布不符。

3 建設(shè)方案

家屬區(qū)地上地下空間對象較多，地下管網(wǎng)分布復(fù)雜；由于地勢的局限，地下建構(gòu)筑物呈多層結(jié)構(gòu)分布；位于地上的管線只有天然氣管道，同時小區(qū)內(nèi)地上地下管網(wǎng)需要地上地下建構(gòu)筑物作為參照；為了直觀展現(xiàn)天然氣管道上各級控制閥及管道分布的具體位置，同時考慮項目費用和工期，系統(tǒng)采用二維GIS、仿真三維GIS、三維GIS相結(jié)合的方式實現(xiàn)空間對象數(shù)據(jù)的可視化，老區(qū)住宅樓房采用仿真三維GIS、新建區(qū)域宅樓房采用三維GIS、地面其他空間對象采用2.5維GIS、電纜線采用2維GIS、地下建構(gòu)筑物及管線采用3維GIS實現(xiàn)。

該系統(tǒng)選用ArcGISDesktop為數(shù)據(jù)處理軟件、ArcGISServer為服務(wù)發(fā)布平臺、ArcGISEngine為開發(fā)平臺、ArcSDE和Oracle為空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。地理數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場實地探測、測量獲得。基于GIS的天然氣管道安全管理系統(tǒng)建設(shè)主要包括數(shù)據(jù)采集、三維模型建立、系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)據(jù)集成等方面。

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)采集。空間數(shù)據(jù)分地上地面可見設(shè)施和地下不可見設(shè)施等與地理位置相關(guān)的數(shù)據(jù)，主要用于三維模型建立；地上地面可見設(shè)施包括房屋、道路、圍墻、廣場、路燈、地下車庫、休閑娛樂文化設(shè)施、攝像頭、水泵房、換熱站、變電所、天然氣調(diào)壓柜、各類井、地下建構(gòu)筑物地面通風(fēng)設(shè)施、景觀水渠等；地下不可見設(shè)施包括各類水管線及附屬設(shè)施、各種電纜通訊線、管溝、化糞池等。屬性數(shù)據(jù)包括空間對象的基本參數(shù)和描述性的信息，便于查詢、統(tǒng)計、分析時使用；如管線屬性有名稱、埋深、管徑、材質(zhì)、壓力、溫度、保溫措施、埋設(shè)年代、最近更換時間、閥門個數(shù)、其他信息等。

空間數(shù)據(jù)的采集分探測、定位測量、紋理數(shù)據(jù)獲取等三部分完成。第一步，使用探測設(shè)備探明地下見管線和電纜的走向和埋深。第二步，在同一坐標(biāo)系下，使用全站儀、GPS、三維掃描儀等測量設(shè)備獲取地下管線位置數(shù)據(jù)、地上地下可見建構(gòu)筑物的尺寸及位置數(shù)據(jù)。對于有地下車庫的小區(qū)，整個小區(qū)地面及地下車庫采用三維掃描儀獲取整個空間的點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地上地下建構(gòu)筑一體化；對于沒有地下車庫的小區(qū)，使用全站儀和GPS完成地面空間對象的位置及尺寸數(shù)據(jù)的采集。第三步，使用照相機獲取樓房、標(biāo)識牌、商鋪等紋理數(shù)據(jù)。

3.2 三維模型建立

空間對象三維建模主要是完成地面空間對象和地下建構(gòu)筑物及管線的三維圖形化，利用測量獲得的數(shù)據(jù)，分別采用Cyclone、3DMAX、Sketchup等專業(yè)建模軟件完成三維模型建立。對于采用三維掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)，使用Cyclone軟件完成多站點云數(shù)據(jù)的拼接及空間對象粗略模型形成，再利用3DMAX和Sketchup軟件對粗略模型進行分塊精細化建模。對于規(guī)則的空間對象，根據(jù)尺寸及位置數(shù)據(jù)在Sketchup中直接建立模型；對于不規(guī)則的空間對象，根據(jù)尺寸和特征點坐標(biāo)在3DMAX中完成模型建立。

仿真三維模型建立一般不考慮樓房的窗戶、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及每層高度，只需以樓房外墻壁數(shù)據(jù)和樓房整體高度為準(zhǔn)建立模型；對于用于地下管網(wǎng)位置參照的綠化、路面、電燈、井等空間對象的模型建立，可以根據(jù)空間對象類別定制統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)符號庫，同類的空間對象模型采用相同的符號表示即可。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計

家屬區(qū)天然氣管道安全管理系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計包括數(shù)據(jù)庫設(shè)計和功能設(shè)計。

3.3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

GIS對圖形數(shù)據(jù)的存儲與管理采用圖層技術(shù)實現(xiàn)，屬性數(shù)據(jù)采用表結(jié)構(gòu)存儲，屬性表結(jié)構(gòu)與空間對象模型一一關(guān)聯(lián)。根據(jù)地下管網(wǎng)管理需要，可將空間數(shù)據(jù)分為房屋（樓房、商鋪、水泵房、換熱站、天然氣調(diào)壓柜、變電所等）、地面（道路、水池、圍墻、廣場、路燈、休閑文化設(shè)施、攝像頭等）、地下空間（地下車庫、管溝、管溝井等）、電纜、綠化、天生活水管線、暖氣管線、消防水管線（消防水管線、消防接合器及附屬設(shè)施等）、生活污水（生活污水管線、生活污水井、化糞池等）、雨排水管線（雨排水管線、雨水井、雨篦子等）、然氣管道（天然氣管線、各級閥門、天然氣井等）等11個圖層，后期也可根據(jù)專業(yè)管理實際需求繼續(xù)進行細分。3.3.2功能設(shè)計

該系統(tǒng)除了滿足日常的瀏覽、增加、刪除、修改、查詢、統(tǒng)計、打印功能外，還應(yīng)該具有放大縮小、屬性字段自定義擴展、圖文數(shù)據(jù)裁剪輸出、量算、信息標(biāo)注、數(shù)據(jù)自定義分層、路徑分析、緩沖區(qū)分析、泄露擴散模擬、追蹤分析、設(shè)施連通分析、預(yù)警提示、管線碰撞檢測、橫斷面分析、場景漫游、視頻輸出、支持空間模型數(shù)據(jù)可掛接常用文檔圖片圖紙音像資料、支持EXCEL折線圖和柱形圖分析等功能。

3.4 數(shù)據(jù)集成處理

該系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)主要由三維模型數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)符號數(shù)據(jù)等五部分?jǐn)?shù)據(jù)組成，數(shù)據(jù)集成處理主要是建立前四部分?jǐn)?shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用圖層實現(xiàn)四部分?jǐn)?shù)據(jù)的管理，通過多個圖層的疊加實現(xiàn)不同圖層數(shù)據(jù)集中展現(xiàn)與應(yīng)用，為查詢、統(tǒng)計、綜合分析奠定基礎(chǔ)。

4 天然氣管道系統(tǒng)安全管理方面的應(yīng)用

基于GIS技術(shù)建立的家屬區(qū)天然氣管道安全管理系統(tǒng)，通過實地獲取家屬區(qū)地理數(shù)據(jù)，精確地表達了天然氣管道與其他地下管網(wǎng)、地上地面地下空間對象之間的拓撲關(guān)系，實現(xiàn)地下管網(wǎng)的可視化；利用GIS多源不同格式數(shù)據(jù)的集成功能，將設(shè)計圖、基本參數(shù)、日常維護資料等與天然氣管道實際位置相結(jié)合，為天然氣管道安全管理提供可靠的數(shù)據(jù)來源。具體可以開展如下一些應(yīng)用：（1）利用可視、量測、管線碰撞檢測等功能將橫跨管溝、與其他管線較近的天然氣管道進行標(biāo)注，設(shè)置預(yù)警提示；（2）對局部易發(fā)生事故區(qū)域（如天然氣管道上方的小區(qū)路面出現(xiàn)下沉部位、學(xué)校附近等）和重點關(guān)注部分開展一些泄露擴散模擬，分析事故可能造成的影響，為應(yīng)急預(yù)案編制及準(zhǔn)備提供可靠數(shù)據(jù)；（3）利用地下管網(wǎng)可視化功能，為小區(qū)規(guī)劃改造、挖掘作業(yè)、地下管道檢修等方面提供準(zhǔn)確的地下管網(wǎng)位置圖，防止天然氣管道遭到人為破壞。

5 結(jié)語

基于GIS技術(shù)建立的家屬區(qū)天然氣管道安全管理系統(tǒng)，通過實地才采集地理數(shù)據(jù)，精確地表達了天然氣管道與其他地下管網(wǎng)、地上地面地下空間對象之間的拓撲關(guān)系，實現(xiàn)地下管網(wǎng)的可視化；利用GIS多源數(shù)據(jù)的集成功能，將設(shè)計圖、基本參數(shù)、日常檢修等資料與地下管道實際位置相結(jié)合，通過綜合分析，為地下管網(wǎng)基礎(chǔ)管理提供完整、可靠的數(shù)據(jù)來源。

該系統(tǒng)不僅可以用于天然氣管道安全管理方面，還可以開展一些如消防水、生活水、生活污水、電纜等系統(tǒng)的專業(yè)管理；同時，該系統(tǒng)也為“數(shù)字礦區(qū)”建設(shè)提供一個基礎(chǔ)平臺；隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，后期可將壓力表、溫度計、計量表等實時數(shù)據(jù)接入該系統(tǒng)中，通過實時數(shù)據(jù)的變化分析，對波動較大部位設(shè)置預(yù)警提示，利用追蹤分析功能準(zhǔn)確判斷發(fā)生異常的具體位置，為搶修、緊急處置提供參考。

［1］中華人民共和國環(huán)境保護部.HJ/T 416-2007，環(huán)境信息術(shù)語［S］. 2007.

［2］黃杏元，馬勁松.地理信息系統(tǒng)概論［M］.北京：高等教育出版社，2008.

10.3969/j.issn.1673-0194.2015.19.041

F232；F234.3

A

1673-0194（2015）19-0075-03

2015-07-28